基于全以太網的列車網絡控制系統在美國地鐵列車上的應用

單 正 輝

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心電氣研發部，吉林 長春 130062)

列車網絡控制系統作為地鐵列車核心技術之一，在地鐵列車的運行和控制方面具有不可替代的作用。列車網絡控制系統的組網形式也在不斷演進，在以太網日益成熟的今天，由以太網構成的列車網絡控制系統逐漸取代了MVB加WTB所構成的列車網絡控制系統。其不僅能夠充分發揮以太網大數據量傳輸的優勢，滿足列車網絡控制系統對帶寬日益增長的需求，而且滿足列車關鍵系統的控制功能對實時性的要求，促進時間敏感型網絡的發展。

1 列車網絡控制系統拓撲結構及系統冗余

1.1 列車網絡控制系統拓撲結構

本項目中的美國地鐵列車每2輛車為1個編組，2個或3個編組重聯運營。列車網絡控制系統采用100Base-TX以太網兩級總線結構，即通過列車級以太網(ETB)和車輛級以太網(ECN)共同實現列車網絡控制系統的所有功能。ETB符合IEC 61375-2-5：2014《鐵路電子設備 列車通信網絡(TCN) 第2-5部分: 以太網列車骨干網》要求，ECN符合IEC 61375-3-4：2014《鐵路電子設備 列車通信網絡(TCN) 第3-4部分: 以太網組成網(ECN)》要求。通過ETB可以實現12輛車(6個編組)的列車網絡控制系統的重聯功能。本項目美國地鐵列車網絡控制系統拓撲結構如圖1所示。

1.1.1 ETB

IEC 61375-2-5：2014標準中，ETB采用線性冗余拓撲結構，每個ETB節點通過2根以太網電纜與相鄰ETB節點相連接，每個ETB節點為1個TS,2個TS之間采用虛擬路由冗余協議來進行管理，如圖2所示。

ED.終端設備；TS.列車級交換機；VMU.車輛控制單元；VS.車輛級交換機。

圖2 ETB線性冗余拓撲結構

TS作為ETB節點可以實現以下功能：

(1) 軌道車輛網絡地址轉換(R-NAT)。TS通過使用R-NAT協議來實現ETB和ECN之間的地址映射。

(2) 可作為域名管理系統(DNS)服務器。根據IEC 61375-2-5：2014第10部分，TS將域名翻譯和解析為相應的IP地址。

(3) 旁路功能。當某一個TS故障時，另一個TS能自動進入旁路狀態，使其僅作為一個通路，而不影響整個網絡的通信功能。

1.1.2 ECN

本項目中ECN采用雙向環形結構，能夠保障環路上任何單點故障不會導致通信中斷。ECN環形拓撲結構如圖3所示。環形拓撲結構中具有最小MAC地址的VS被定義為環路主交換機。環路主交換機被封堵1個端口以保證整個數據傳輸的樹形結構。

圖3 ECN環形拓撲結構

1.1.2.1線路中斷

如果環路中某一段線路中斷，那么環路主交換機會打開之前封閉的端口，同時激活如圖4所示的備份線路來進行通信。整個網絡通信的恢復時間在100 ms以內。

圖4 線路中斷工況下的網絡傳輸

1.1.2.2非主交換機故障

如果環路中某一個非主交換機故障，那么環路主交換機會打開之前封閉的端口，同時激活如圖5所示的備份線路來進行通信。整個網絡通信的恢復時間在100 ms以內。

圖5 非主交換機故障工況下的網絡傳輸

1.1.2.3環路主交換機故障

當環路主交換機故障時，剩余正常工作的交換機中具有最小MAC地址的交換機將會成為新的環路主交換機，如圖6所示。

圖6 環路主交換機故障工況下的網絡傳輸

1.1.3 VMU的冗余管理

每個編組中采用2個VMU實現網絡管理和冗余功能，2個VMU具有完全相同的設計。在正常工況下，帶司機室車的VMU將作為主VMU，不帶司機室車的VMU作為從VMU，如圖7所示。

圖7 正常工況下VMU工作示意圖

當主VMU不能完成正常工作時，從VMU將成為主VMU繼續保障整個網絡系統的正常工作，如圖8所示。如果在這期間原來的主VMU恢復了功能，也不再進行主從切換，除非當前主VMU出現異常。

圖8 VMU冗余切換示意圖

1.2 數據傳輸類型

網絡系統與子系統之間的通信基于IEC 61375-2-3：2014《鐵路電子設備 列車通信網絡(TCN) 第2-3部分：TCN通信簡介》附錄A的列車實時數據通信協議(TRDP)，每個編組內的通信協議結構如圖9所示。

圖9 各編組內通信協議結構

為了實現網絡系統與子系統間的通信，ED必須基于TCNopen設計自己的TRDP軟件，網絡系統和所有子系統分包商必須使用統一的TRDP基線。

1.2.1 過程數據

采用UDP協議在網絡系統和子系統之間定期傳輸過程數據(PD)。為了區分PD的傳輸方向，定義了狀態數據請求(SDR)和狀態數據(SD)。其中，SDR是將過程數據包從網絡系統周期性發給子系統，SD是將過程數據包從子系統周期性發給網絡系統。PD數據幀格式如圖10所示。

圖10 PD數據幀格式

1.2.2 消息數據

采用TCP/IP協議在網絡系統和子系統之間不定期傳輸消息數據(MD)。為了區分MD數據的傳輸方向，定義了MD-PUT(消息數據推送)和MD-GET(消息數據接收)。其中，MD-PUT是將消息數據包從網絡系統發送到子系統，MD-GET是將消息數據包從子系統發送到網絡系統。

MD數據幀格式如圖11所示。由于受以太網數據幀長度限制，如果MD數據幀的數據部分長度大于1 352 Byte，那么該數據幀將被進行拆分傳輸(圖11(b))。

圖11 MD數據幀格式

1.3 MAC地址

每個ED都有一個全球唯一的MAC地址，如果ED是雙歸屬備(ED連接到2個不同的交換機)，那么每個網絡接口卡(NIC)都要有一個唯一的MAC地址。

所有的以太網接口都需要滿足以下要求：(1)滿足IEEE 802.3系列標準要求；(2)采用100Base-TX標準；(3)雙向傳輸；(4)滿足IEC 61375-3-4：2014標準要求。

1.4 網絡地址

IP地址和組播IP地址分配都基于IEC 61375-3-4：2014標準，采用靜態IP地址分配。本項目在每個車輛編組內均使用A類私有IP地址。IP地址范圍為10.0.0.0～10.255.255.255，組播IP地址范圍為239.255.0.1～239.255.255.255，子網掩碼為255.255.240.0/20。

網絡系統將以靜態配置為基礎，但是對于無法提供靜態IP地址的設備，比如某些攝像頭，網絡系統提供DHCP服務器的功能，通過以下2種方式實現IP地址的動態分配：

(1) 基于端口的DHCP。適用于無法提供唯一設備ID的設備，端口是專用的，即該設備只能使用指定的端口，不能使用交換機上的其他端口。

(2) 具有option code 61的DHCP。適用于無法提供靜態IP地址但是具有唯一設備ID的設備。交換機可以通過ID來識別設備類型，因此只要是同類設備可以實現交換機端口互換。

1.5 PD和MD端口定義

PD和MD端口號如表1所示。

表1 PD和MD端口號

1.6 虛擬局域網

在一個編組內所有VS被連接成環形，ED連接到VS上。傳統的共享介質的以太網和交換式的以太網中，所有的用戶在同一個廣播域中會引起網絡性能的下降，浪費帶寬，而且對廣播風暴的控制和網絡安全只能在第3層的路由器上實現。

虛擬局域網(VLAN)相當于OSI參考模型的第2層的廣播域，能夠將廣播風暴控制在1個VLAN內部。劃分VLAN后，由于廣播域的縮小，網絡中廣播包消耗帶寬所占的比例大大降低，網絡的性能得到顯著提高。VLAN分為基于端口的VLAN和TAG VLAN 2種。基于端口的VLAN(即屬于同一個VLAN)的端口之間才能進行通信，可通過交換機設置。TAG VLAN主要用于跨交換機的相同VLAN內的主機之間的訪問。標準以太網數據幀和具有VLAN TAG的以太網數據幀之間的對比如圖12所示。

2 列車網絡控制系統功能

2.1 列車配置

2.1.1 TTDP初運行

基于IEC 61375-2-5：2014標準的列車拓撲發現協議(TTDP)負責ETB初運行，期間所有ETB節點都要執行TTDP,通過其定義的TTDP HELLO 和TTDP TOPOLOGY兩類數據幀進行數據包交換[1]。

TTDP HELLO數據幀根據鏈路層發現協議(LLDP)定義，周期性地通過靜態配置的物理線路發現所有的ETB節點。TTDP TOPOLOGY是基于生成樹協議IEEE 802.1D定義的多播幀，被周期性地發送到所有ETB節點的邏輯鏈路，用于檢測ETB的其他節點編號，建立物理拓撲和邏輯拓撲。按照IEC 61375-2-3：2014標準使用CSTINFO幀在ETB節點之間交換編組信息。

2.1.2 TTDP初運行觸發條件

當檢測到以下條件之一時，開始TTDP初運行：(1)車輛上電；(2)車輛從中間車變為端車；(3)車輛從端車變為中間車。

2.1.3 離線編組檢測

在正常情況下，TTDP初運行之后，當某一個或多個ETB節點離線或離線又恢復之后，列車網絡可以根據ETB節點的離線和恢復情況采取相應的顯示和控制策略。但在TTDP初運行之前，如果某一節點發生故障而無法參與TTDP初運行，那么列車網絡將不能發現該節點。為了保證在上述工況下列車網絡控制系統仍能夠發現該節點，采用專用電路通過檢測節點電壓的方式進行節點檢測。每個編組檢測2個電壓值U1和U2，針對離線編組在整列車中的位置給出3組數據，如表2所示。

表2 列車配置識別(TCR)電壓值 V

如表2所示，在3個編組重聯工況下，每個編組的U1和U2由列車控制單元負責采集，并通過ETB實現列車級共享。如果某一個編組的U1和U2不能被檢測到，那么列車網絡控制系統據此可以判斷該編組已經離線。

2.1.4 時間同步

列車網絡控制系統通過GPS提供的時間和日期來實現時間同步，或通過顯示屏手動來實現時間的同步功能。當列車網絡控制系統發送給子系統的時間同步標志位為“1”時，所有子系統使用列車網絡控制系統提供的時鐘來實現時間同步。具體步驟如下：

(1) 列車網絡主控制單元通過GPS或手動設置自身的時鐘；

(2) 列車網絡主控制單元將調整后的時鐘和時鐘同步標志位一起發送給所有從控制單元；

(3) 所有從控制單元將時鐘和時鐘同步標志位通過SDR數據發送給所有子系統；

(4) 所有子系統根據收到的時鐘和時鐘同步標志位來同步自己的時鐘。

列車網絡控制系統和所有子系統使用同步后的時鐘來作為故障和時間記錄的時間戳。

2.1.5 HMI顯示界面

HMI用來顯示車輛狀態、編組信息、故障診斷和時間同步等。整個顯示屏界面分為3種類型：狀態顯示界面、幫助界面和維修界面。

狀態顯示界面如圖13所示。狀態顯示界面主要顯示時鐘、車輛編組信息和當前故障信息，并且可以通過下方的按鈕來顯示廣播、車門、制動和空調系統的溫度信息。當選中某一個故障時，可點擊“HELP SCREEN”按鈕進入幫助界面來查詢故障處理提示，通過點擊“MAINTENANCE SCREEN”按鈕進入維修界面。

圖13 狀態顯示界面

幫助界面如圖14所示。幫助界面顯示詳細的故障信息和所需要采取的措施(如隔離、切除或復位有問題的設備或系統等)，可幫助司乘人員快速地處理故障。

圖14 幫助界面

維修界面如圖15所示。點擊狀態欄下“MAINTENANCE SCREEN”按鈕并輸入密碼可以進入維修界面。點擊屏幕上的相應按鈕可進入不同的界面以完成與維修和調試相關的各類任務，如狀態查詢、時鐘設定及系統自檢等。也可以通過點擊“STATUS SCREEN”按鈕返回到狀態顯示界面。

圖15 維修界面

2.1.6 故障管理

2.1.6.1事件

列車網絡控制系統和各子系統需要按照事先定義的故障模板來填寫故障事件的相關信息，如故障事件的采樣頻率、采樣周期、故障等級、故障屬性和其他相關的描述性信息等。故障模板如圖16所示。

圖16 故障模板示意圖

用戶可以根據自己的需要對故障代碼、故障等級和故障屬性以及相關的故障描述進行修改，這可以使故障修改變得更加方便靈活。通過故障模板可以生成相應的事件描述文件(EDF)，使用便攜式測試單元(PTU)上傳至列車網絡控制系統和各子系統，之后列車網絡控制系統和各子系統將根據EDF文件里定義的相關故障信息進行故障顯示和記錄。當前故障通過過程數據傳輸，而故障記錄則通過消息數據來傳輸。

使用PTU或HMI軟件從列車網絡控制系統和各子系統下載所記錄的故障，可以進行相應的故障分析。

2.1.6.2Snapshot

當故障的屬性“Snapshot”定義為“Y”,那么當該故障發生時需要記錄相應的環境變量。例如故障發生前5 s和故障發生后5 s的網壓、列車速度、牽引或制動工況等信息，并打包成一個Snapshot文件存儲在子系統內，可以通過PTU來下載，所記錄的環境變量可以用來幫助分析故障的成因。用戶不需修改任何程序，只需通過使用故障模板中的信號列表(Signal list)來定義所需要記錄的環境變量。修改之后生成信號描述文件(SDF)下載到子系統中。當故障發生時，子系統把SDF中定義的所有變量打包記錄在本系統中。Snapshot和SDF通過消息數據來傳輸。

3 系統集成測試

為了驗證列車網絡控制系統和子系統能夠正常通信和工作，搭建了系統集成測試試驗臺。硬件設備包括6個編組的所有列車網絡控制系統實車設備和1個編組的所有子系統的實車控制單元，以實際電纜長度進行布線，并按照網絡系統拓撲連接在一起，最大程度地模擬真實車輛狀態，其他5個編組的子系統設備采用微機系統進行模擬。主要測試項點如下：

(1) ECN通信測試。檢查網絡系統和子系統的通信質量。

(2) SDR/SD傳輸測試。檢查網絡系統和子系統是否能夠正常收發過程數據。

(3) 時間同步測試。檢查子系統是否能夠根據網絡系統提供的校準指令和時間來同步自己的時鐘。

(4) 安全自檢測試。檢查子系統是否可以根據網絡系統發送的自檢請求進行相應的自檢，并將自檢結果發送給網絡系統。

(5) EDF上傳測試。檢查通過PTU軟件是否可以將EDF文件上傳至網絡系統和子系統。

(6) 故障和Snapshot下載測試。檢查通過PTU軟件是否能夠正確地從子系統和網絡系統下載所需要的信息。

(7) 冗余功能測試。檢查網絡系統和子系統的各項冗余措施是否能夠正常工作。

(8) 牽引/制動力分配、空壓機啟動順序、輪徑校準等控制功能測試是否正確。

(9) 顯示屏功能測試。驗證所有狀態數據是否正確顯示，顯示屏發出的指令是否被相關系統所接收。

通過裝車調試之前的系統集成測試工作，可以盡早地發現網絡系統或子系統在硬件和軟件方面存在的各種問題，大大節省了裝車調試所需要的人力和時間。

4 結束語

本文通過網絡拓撲、通信協議架構、冗余措施、功能描述及試驗驗證等幾個方面對應用在美國地鐵列車上的基于全以太網的列車網絡控制系統項目進行了詳細分析和闡述。以太網技術的實時性需要不斷提高和完善，時間敏感型網絡正處在研發階段，相信不久的將來會得以應用，而傳統的有線列車網絡控制系統最終會被飛速發展的無線網絡技術所取代。